DE69432489T2

DE69432489T2 - Kältekreislauf mit nicht-azeotropem Kältemittel

Info

Publication number: DE69432489T2
Application number: DE1994632489
Authority: DE
Inventors: Kensaku Oguni; Kazumoto Urata; Masatoshi Muramatsu; Takeshi Shimizu-shi Endo; Hiroaki Matsushima
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-06-24
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2014-06-22
Also published as: DE69422551D1; EP0631095A3; DE69422551T2; EP0838643A3; EP0838643A2; EP0631095A2; DE69432489D1; EP0631095B1; JPH0712411A; EP0838643B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ein nicht-azeotropes Kältemittel verwendenden Kältekreislauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Kreislauf ist beispielsweise aus der US-A-S 186 012 bekannt.
Zunächst wird der Fall erläutert, bei welchem ein nicht-azeotropes Kältemittel als Arbeitsmedium verwendet wird. Das nicht-azeotrope Kältemittel ist ein Kältemittel, bei welchem zwei oder mehr Arten von Kältemitteln mit unterschiedlichen Siedepunkten gemischt sind und das die in 3 gezeigten Eigenschaften hat. 3 ist ein Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsdiagramm, welches die Eigenschaften eines nicht-azeotropen Kältemittels zeigt, bei welchem zwei Arten von Kältemitteln gemischt sind. Die horizontale Achse kennzeichnet den Zusammensetzungsanteil X eines Kältemittels mit niedrigem Siedepunkt, und die vertikale Achse die Temperatur. Mit dem Druck als Parameter gibt es eine Linie für gesättigten Dampf und eine Linie für gesättigte Flüssigkeit in einem Hochtemperaturbereich, der durch einen Druck P_H gekennzeichnet ist, wenn beispielsweise der Druck hoch ist. Wenn umgekehrt der Druck niedrig ist, liegen diese Linien in einem Niedertemperaturbereich, der durch den Druck P_L gekennzeichnet ist. Der Zusammensetzungsanteil X = 1,0 gibt an, daß das Kältemittel nur von einem Kältemittel mit hohem Siedepunkt gebildet wird, während der Zusammensetzungsanteil X = 1,0 dafür steht, daß das Kältemittel nur von einem Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt gebildet wird. Bei einem Kältemittelgemisch werden, wie in 3 gezeigt ist, die Linie für gesättigte Flüssigkeit und die Linie für gesättigten Dampf durch ihre Zusammensetzung bestimmt. Die Fläche unter der Linie für gesättigte Flüssigkeit kennzeichnet den unterkühlten Zustand, und die Fläche über der Linie für gesättigten Dampf kennzeichnet den überhitzten Zustand. Der von der Linie für gesättigte Flüssigkeit und der Linie für gesättigten Dampf umschlossene Abschnitt ist ein zweiphasiger Zustand von Flüssigkeit und Dampf. In 3 bezeichnet X₀ das Zusammensetzungsverhältnis eines Kältemittels, das dicht in einen Kältemittelkreis eingeschlossen ist. Die Punkte P1 bis P4 kennzeichnen die typischen Punkte eines Kältemaschinenkreisprozesses. Der Punkt P1 kennzeichnet einen Kompressorauslaßabschnitt, der Punkt P2 einen Kondensatorauslaßabschnitt, der Punkt P3 einen Verdampfereinlaßabschnitt und der Punkt P4 einen Kompressoreinlaßabschnitt.
Nachstehend werden Probleme im Hinblick auf eine Leckage im Kältekreis bei Änderungen der Zusammensetzung eines umlaufenden Kältemittels in dem Kältekreis im nicht stationären Zustand, wie zur Anlaufzeit des Kälteerzeugungskreisprozesses und bei der Betriebssteuerung des Kältekreises erläutert.
Eine Kältemittelleckage aus dem Kältekreislauf heraus tritt auch bei einer Klimaanlage oder einem Kühlschrank mit hermetischer Abdichtung auf. In 3 steht der Punkt A für den Zweiphasenabschnitt in einem Kältemaschinenkreisprozeß, bei welchem die Flüssigkeit den Anteil X_a ₁ und der Dampf den Anteil X_a2 hat. Wenn das Kältemittelgemisch aus einem Wärmeübertragungsrohr eines Wärmeaustauschers oder aus einem Verbindungsrohr eines Bauteils entweicht, wäre es im Falle des Entweichens von Flüssigkeit ein Kältemittel mit dem Zusammensetzungsanteil X_a ₁ und im Falle des Entweichens von Dampf ein Kältemittel mit dem Zusammensetzungsanteil X_a ₂. Abhängig davon, ob Flüssigkeit oder Dampf entweicht, würde sich deshalb ein unterschiedliches Zusammensetzungsverhältnis des Kältemittels ergeben, das in dem Kältekreislauf zurückbleibt.
4 veranschaulicht das Problem bei einem Entweichen von Kältemittel nach außen. Wenn Flüssigkeit entweicht, nimmt das verbleibende Kältemittelgemisch den Zustand X₁ an, bei welchem der Anteil an Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt groß ist. Wenn Dampf entweicht, nimmt das verbleibende Kältemittelgemisch den Zustand X₂ an, bei welchem der Anteil an Kältemittel mit hohem Siedepunkt groß ist. In 2 kennzeichnet X₀ das Zusammensetzungsverhältnis eines Kältemittels, welches anfänglich dicht eingeschlossen wird. Wenn ein Zustand, bei welchem die Zusammensetzung X₀ ist, mit einem Zustand bei einem gleichen Druck verglichen wird, bei welchem die Zusammensetzung X₁ ist, ist die Temperatur bei der Temperatur X₁ niedriger. Wenn jedoch ein Zustand, bei welchem die Zusammensetzung X₁ ist, mit dem Zustand bei dem gleichen Druck verglichen wird, bei welchem die Zusammensetzung X₂ ist, ist die Temperatur bei der Zusammensetzung X₂ höher.
5 zeigt allgemeine Kennlinien eines Kältekreislaufs bezüglich des Zusammensetzungsanteils an Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt. Wenn der Zusammensetzungsanteil X größer wird, werden die Heiz- und Kühlleistung größer.
Wenn Kältemittel aus dem Kältekreislauf entweicht, in welchem ein nicht-azeotropese Kältemittel als Arbeitsmedium verwendet wird, ändert sich, wie vorstehend beschrieben, das Zusammensetzungsverhältnis des in dem Kältekreislauf verbleibenden Kältemttels von dem anfänglichen Zusammensetzungsverhältnis, d.h. von dem Zusammensetzungsverhältnis für die Auslegung der Vorrichtung, abhängig von den entwichenen Anteilen. Auch wenn keine Leckage nach außen vorhanden ist, besteht die Möglichkeit, daß sich das Zusammenset zungsverhältnis des in dem Kältekreislauf umlaufenden Kältemittels in dem nicht-stationären Zustand des Kältekreislaufs ändert.
Änderungen des Zusammensetzungsverhältnisses des Kältemittels in dem Kältekreislauf führen zu Problemen. Beispielsweise ändert sich die Heiz- und Kühlkapazität oder es werden Druck und Temperatur unnormal. Deshalb muß der Kältekreislauf richtig eingestellt sein.
Da man davon ausgeht, daß ein Chlor enthaltendes Fluorchlorkohlenstoff-Kältemittel die Ozonschicht schädigt, wurde als alternatives Kältemittel ein nicht-azeotropes Gemisch eines Wasserstofffluorkohlenstoff-Kältemittels vorgeschlagen, welches kein Chlor enthält. Dieses Kältemittelgemisch wurde als Umweltschutz für die Erde in Betracht gezogen.
Die Steuerung eines Kältemaschinenkreisprozesses, bei welchem ein nicht-azeotropes Gemisch als Arbeitsmedium verwendet wird, ist beispielsweise in der JP-A-59-129366, 61-213554 und 64-58964 offenbart.
Die JP-A-59-129366 offenbart einen elektrostatischen Kapazitätssensor, der als Einrichtung zum Feststellen der Zusammensetzung eines Kältemittels verwendet wird, das in dem Kältekreis umläuft. Ferner ist geoffenbart, daß der Kältekreislauf einen ersten Flüssigkeitssammler und einen zweiten Flüssigkeitssammler und eine elektrische Heizeinrichtung aufweist, die in dem zweiten Flüssigkeitssammler angeordnet ist. Wenn die Außenlufttemperatur während eines Heizvorgangs niedrig ist, wird die elektrische Heizeinrichtung des zweiten Flüssigkeitssammlers aktiviert und so gesteuert, daß eine festgelegte Kältemittelkonzentration erreicht wird.
Die JP-A-61-213554 offenbart eine Vorrichtung mit einem Separator zum Abtrennen eines Kältemittels mit niedrigem Siedepunkt, einen Flüssigkeitssammler zum Speichern eines Kältemittels mit niedrigem Siedepunkt und ein Steuerventil zum Rückführen des Kältemittels aus dem Flüssigkeitssammler. Die Vorrichtung steuert die Zusammensetzung des Kältemittels auf der Basis der Temperatur eines zu kühlenden Elements.
Die JP-A-64-58964 offenbart einen Kältekreislauf mit variabler Kältemittelgemisch-Zusammensetzung, bei welchem der obere Abschnitt des Flüssigkeitssammlers mit einem Kältemittelbehälter und der untere Abschnitt des Flüssigkeitssammlers mit einem Kältemittelbehälter verbunden ist, wobei der Kältekreislauf einen Kältemittelbehälter aufweist, der in der Lage ist, Wärme mit einem Gasrohr auszutauschen, durch welches ein wärmequel lenseitiger Wärmeaustauscher mit einem benutzerseitigen Wärmeaustauscher, einem Flüssigkeitssammler und dergleichen verbunden ist.
Bei dem Kältemittelkreis, bei welchem ein nicht-azeotropes Kältemittel dicht eingeschlossen ist, kann sich, wie oben beschrieben, das Zusammensetzungsverhältnis des Kältemittels in dem Kältekreislauf ändern, wenn Kältemittel aus dem Kältekreislauf entweicht, oder während des nicht-stationären Betriebs des Kältekreises. Die Kapazität des Kältekreises kann dadurch geändert werden, daß die Zusammensetzung variabel gestaltet wird. Um deshalb einen Kältekreislauf mit hoher Kapazität zu erreichen, ist es wichtig, das Kältemittel-Zusammensetzungsverhältnis in dem Kältekreis so zu steuern, daß sich ein stabiler Betrieb verwirklichen läßt. Es bestand ein Bedürfnis für ein Verfahren, dieses Zusammensetzungsverhältnis ohne Kostenaufwand zu ändern. Ferner ist es erforderlich, ein Kältemittel einzusetzen, welches kein Chlor enthält und die Ozonschicht nicht schädigt, um so einen Schutz für die Umwelt zu berücksichtigen.
Die US-A-S 186 012 offenbart ein Wärmepumpensystem unter Verwendung eines nicht-azeotropen Kältemittelgemisches mit einem Hauptkältekreislauf, einem Maschinenkühlkreislauf und einem Kältemittel-Rektifizierungskreislauf, der an einer Trennstelle mit dem Hauptkältemittelkreislauf und dem Maschinenkühlkreislauf in Verbindung steht. Der Kältemittel-Rektifizierungskreislauf hat zur Verringerung eines Relativniveaus einen Kondensator, einen Speicherbehälter in Verbindung mit einem Kondensator, eine Rektifizierungseinrichtung in Verbindung mit einem Speicherbehälter und einem Kondensator, einen Sammelbehälter in Verbindung mit einer Rektifizierungseinrichtung und einen Kessel in Verbindung mit der Rektifizierungseinrichtung und dem Sammelbehälter. In dem Sammler ist eine Verhältnis-Detektoreinrichtung angeordnet. Der Kältemittel-Rektifizierungskreislauf wird zur Einstellung der jeweiligen Konzentrationen eines Kältemittels mit niedrigem Siedepunkt und eines Kältemittels mit hohem Siederpunkt in dem nicht-azeotropen Kältemittelgemisch verwendet, um so die Kühl- oder Heizkapazität des Wärmepumpensystems zu ändern. Bei dem System nach der US-A-S 186 012 kann jedoch nur flüssiges Kältemittel aus dem Sammler entnommen werden.
Nach dem Stand der Technik erfolgt im allgemeinen die Einstellung der relativen Konzentrationen der Komponenten eines nicht-azeotropen Kältemittels dadurch, dass nur mit einer Phase des Kältemittels aktiv gearbeitet wird. Deshalb besteht beim Stand der Technik das Problem, dass die Breite der Einstellung der Konzentration eng ist.
Es ist ein Ziel der Erfindung, einen ein nicht-azeotropes Kältemittel verwendenden Kältekreislauf bereit zu stellen, der einen breiten Einstellbereich ermöglicht.
Dieses Ziel wird durch einen Kältekreislauf nach Anspruch 1 erreicht.
Bei dem Kältekreislauf nach der Erfindung ist nicht nur ein Strom des flüssigen Kältemittels zwischen der Wärmequellenseite und der Nutzungsseite durch den Sammler möglich, vielmehr kann auch gasförmiges Kältemittel aus dem Sammler entsprechend dem Zusammensetzungsverhältnis des Kältemittels entnommen werden, die von der Detektoreinrichtung für das Zusammensetzungsverhältnis gemessen wird. Dies ermöglicht eine Einstellung des Zusammensetzungsverhältnisses des Kältemittels in einem weiten Bereich. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass die Detektoreinrichtung für das Zusammensetzungsverhältnis nicht in dem Sammler, sondern zwischen dem wärmequellenseitigen Wärmeaustauscher und dem Sammler angeordnet ist. Diese Anordnung der Detektoreinrichtung für das Zusammensetzungsverhältnis ermöglicht ein genaueres Messen des Zusammensetzungsverhältnisses des Kältemittels, das hauptsächlich in dem Kältekreislauf verwendet wird.
Vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen des Kältekreislaufs nach der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 5.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine schematische Darstellung eines Kältekreislaufs mit einer Einstellvorrichtung zum Regulieren der Zusammensetzung eines nicht-azeotropischen Kältemittels,
2 eine Längsschnittsansicht eines Kältemittelkreises zum Regulieren der Zusammensetzung des Kältemittels,
3 ein Diagramm, welches die Charakteristika eines nicht-azeotropen Kältemittels darstellt,
4 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Zusammensetzung des nichtazeotropen Kältemittels und der Temperatur darstellt,
5 ein Diagramm, welches die Kennlinien eines Kältekreislaufs darstellt, bei welchem ein nicht-azeotropes Kältemittel verwendet wird,
6 ein Diagramm, welches die Kennlinien eines nicht-azeotropen Kältemittels darstellt,
7 ein Beispiel der Zusammensetzung eines Kältemittelgemisches aus drei Bestandteilen,
8 eine Schnittansicht eines Sensors in elektrostatischer Kapazitätsbauweise für das Zusammensetzungsverhältnis,
9 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Zusammensetzung des nichtazeotropen Kältemittels und des elektrostatischen Kapazitätswerts darstellt,
10 ein Ablaufdiagramm, welches die Regulierung der Zusammensetzung des nichtazeotropen Kältemittels darstellt,
11 eine schematische Ansicht eines Kältemittelkreislaufs mit einer Steuervorrichtung zum Steuern des Zusammensetzungsverhältnisses des nicht-azeotropen Kältemittels ist,
12 eine Einzelansicht eines Kältemittelseparierkreises und
13 ein Ablaufdiagramm ist, das die Regulierung des Zusammensetzungsverhältnisses des nicht-azeotropen Kältemittels zeigt.
1 zeigt entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Kältekreislauf, bei welchem eine Vielzahl von Innenraummaschinen mit einer Außenraummaschine verbunden sind. In 1 bezeichnet 1 einen Kompressor, 2 einen Außenraum-Wärmeaustauscher, 3 ein Außenraum-Luftgebläse, 4 ein Vierwegeventil, 5 einen Speicher, 6 einen Sammler und 7 ein Außenraum-Kältemittelsteuerventil, welches als druckreduzierender Mechanismus während eines Heizbetriebs wirkt. 8 ist ein Sensor zum Feststellen der Zusammensetzung eines nicht-azeotropischen Kältemittels, 10 ein Kältemittelbehälter, 11 eine Kühleinheit, 12, 13 und 14 sind Ventile zum Öffnen und Schließen, 15, 16 17 sind Rohre, und 91, 92, 93 und 94 sind Rückschlagventile, die eine Außenraummaschine bilden. 20a und 20b sind Innenraum-Wärmeaustauscher, 21a und 21b sind Innenraum-Kältemittelsteuerventile, die als ein druckreduzierender Mechanismus während eines Kühlbetriebs wirken, 22 und 23 sind Kältemittelverteilungseinheiten, und 24 und 25 sind Rohre zum Verbinden der Innenraummaschinen mit den Außenraummaschinen. Die Darstellung des Innenraum-Luftgebläses ist weggelassen.
Auf der Außenraumseite sind eine Meßvorrichtung, in welcher ein kapazitiver Sensor 8 zum Feststellen der Zusammensetzung eines nicht-azeotropen Kältemittels verwendet wird, und eine Steuervorrichtung zum Steuern der Ventile 12, 13 und 14 zum Öffnen und Schließen angeordnet. In 1 ist die Darstellung des Steuersystems des Kältekreislaufs weggelassen. Als Kältemittel wird ein Kältemittel verwendet, welches kein Chlor enthält und die Ozonschicht nicht schädigt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Beispiel erläutert, bei welchem HFC32 und HFC134a als nicht-azeotropes Kältemittel verwendet werden.
Zunächst wird der Kältemittelfluß erläutert. Während des Kühlbetriebs strömt das von dem Kompressor geförderte Kältemittel in der folgenden Reihenfolge: Vierwegeventil 4→ Außenraum-Wärmeaustauscher 2→Rückschlagventil 93→Zusammensetzungssensor 8→ Außenraum-Kältemittelsteuerventil 7→Rückschlagventil 92→Sammler 6. Das Kältemittel wird durch eine Kältemittelverteilungseinheit 23 verteilt. Ein Teil des Kältemittels strömt in folgender Reihenfolge: Innenraum-Wärmeaustauscher 20a→Innenraum-Kältemittelsteuerventil 21a, während der andere Strom die Folge hat: Innenraum-Wärmeaustauscher 20b→Innenraum-Kältemittelsteuerventil 21b. Sie kommen in einer Verteilungseinheit 22 zusammen und strömen wie folgt: Rohr 24→Vierwegeventil 4→Speicher 5 und zurück zum Kompressor. Dabei wirken die Innenraum-Wärmeaustauscher 20a und 20b als Verdampfer und es wird ein Kühlbetrieb ausgeführt.
Während eines Heizbetriebs strömt andererseits das von dem Kompressor geförderte Kältemittel wie folgt: Vierwegeventil 4→Rohr 24→Verteilereinheit 22. Ein Teil des Käl-temittels strömt in der Reihenfolge: Innenraumkältemittel-Steuerventil 21a→Innenraum-Wärmeaustauscher 20a, während der andere Strom die Folge hat: Innenraumkältemittel-Steuerventil 21b→Innenraum-Wärmeaustauscher 20b. Sie kommen in einer Verteilungseinheit 23 zusammen und strömen wie folgt: Rohr 25→Sammler 6→Rückschlagventil 94→ Zusammensetzungssensor 8→Außenraum-Steuerventil 7→Rückschlagventil 91→Außenraum-Wärmeaustauscher 2→Vierwegeventil 4→Speicher 5, und Rückkehr zum Kompressor. Dabei wirken die Innenraum-Wärmeaustauscher 20a und 20b als Kondensatoren, und es wird ein Heizbetrieb durchgeführt.
Die Einzelheiten des Trennkreislaufs für das Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt von 1 sind in 2 gezeigt. In 2 ist die Kühleinheit 11 ein Doppelrohrwärmeaustauscher. Wenn flüssiges Kältemittel in dem Kältemittelspeicherbehälter 10 gespeichert wird, sind die Ventile 12 und 13 für ein Öffnen und Schließen geöffnet. In diesem Fall strömt die Flüssigkeit auf der Unterseite des Sammlers 6 durch das Ventil 12 für das Öffnen und Schließen ab, und die Flüssigkeit wird zu einem Kältemittel mit niedriger Temperatur durch den druckreduzierenden Effekt des Ventils 12 für das Öffnen und Schließen und in das innere Rohr der Kühleinheit 11 geführt. Auf der anderen Seite strömt das Gas in dem Sammler 6 durch das Ventil 13 für ein Öffnen und Schließen ab und wird in das äußere Rohr der Kühleinheit 11 geführt. Das Kältemittelgas des inneren Rohrs mit niedriger Temperatur steht in Wärmeaustausch mit dem Gas des äußeren Rohrs, wobei das Kältemittel mit niedriger Temperatur vergast und in den Speicher 5 über das Rohr 15 geführt wird. Das kondensierte verflüssigte Kältemittel des äußeren Rohrs wird in den Kältemittelspeicherbehälter 10 geführt. Wenn eine vorher festgelegte Menge an flüssigem Kältemittel in dem Kältemittelspeicherbehälter 10 gespeichert ist, werden die Ventile 12 und 13 beim Öffnen und Schließen geschlossen. Die vorstehende Arbeitsweise und der vorstehende Effekt ermöglichen es, das flüssige Kältemittel in dem Kältemittelspeicherbehälter 10 zu speichern. Zum Abführen des flüssigen Kältemittels aus dem Kältemittelspeicherbehälter 10 wird das Ventil 14 für ein Öffnen und Schließen geöffnet, so daß das flüssige Kältemittel für das Rohr 15 zu dem Speicher 5 abgeführt werden kann.
Nachstehend wird nun die Wirkung einer Zusammensetzungsänderung erläutert.
Der Zustand des Kältemittels in dem Sammler, über den durch Versuch Klarheit geschaffen wurde, den die Erfinder der vorliegenden Erfindung durchgeführt haben, wird nun unter Verwendung auf einen Kühlbetrieb als Beispiel erläutert. Aus dem Rohr 17 strömen Gas und Flüssigkeit in den Sammler 6. Das Gas steigt in der Flüssigkeitsschicht in dem Sammler 6 hoch und bildet eine Gasschicht. Dann wird das Gas durch die Innenwand des Sammlers 6 kondensiert und verflüssigt. Danach ist das Gas in einem Auslaßrohr 16 nur in Flüssigkeit umgeformt und strömt ab. Die Versuchergebnisse zeigen, daß, wenn die Kältemitteltrockenheit am Einlaß groß ist, die Flüssigkeit innerhalb des Sammlers 6 verschwindet, und daß, wenn die Kältemitteltrockenheit klein ist, der Sammler 6 mit der Flüssigkeit gefüllt ist. Der Versuch hat auch gezeigt, daß die Änderung der Trockenheit bezüglich der Änderung der Flüssigkeitsmenge 0,01 oder weniger beträgt. D. h., daß die Trockenheit des Kältemittels, welches in den Sammler strömt, sehr klein ist.
6 zeigt die Zustandsänderungen des Kältemittels in einer Kältemittelleitung von dem Kondensator zum Sammler, wenn als Wärmemedium ein nicht-azeotropes Kältemittel verwendet wird. Auf der horizontalen Achse ist der Zusammensetzungsanteil X des Kältemittels mit niedrigem Siedepunkt, beispielsweise HFC32, aufgetragen, auf der vertikalen Achse die Temperatur, wobei der Druck konstant ist. Im Zustand X = 0 ist in dem Kältemittel nur HFCl34a enthalten, während im Zustand X = 1 das Kältemittel nur von HFC32 gebildet wird. Bei dem nicht-azeotropen Kältemittel unterscheidet sich, wie in der Figur gezeigt ist, die Temperatur des gesättigten Dampfes von der der gesättigten Flüssigkeit bei dem gleichen Druck. Das Zusammensetzungsverhältnis X₀ kennzeichnet die Zusammensetzung des in den Kältekreis dicht eingeschlossenen Kältemittels. Punkt A kennzeichnet den Zustand des Kondensatoreinlasses, Punkt B den Kondensationsbeginn, Punkt C den Zustand innerhalb des Sammlers und Punkt D den Zustand am Auslaß der Kühleinheit. Wie vorstehend beschrieben, zeigt Punkt C, daß der Flüssigkeitsdurchsatz sehr klein ist. Punkt E steht für den Flüssigkeitszustand innerhalb des Sammlers, wobei HFC32 einen Zusammensetzungsanteil von X₁ hat. Der Punkt F steht für den Gaszustand, wobei für HFC32 der Zusammensetzungsanteil X_g ist. Man sieht, daß das Zusammensetzungsverhältnis für Gas im Punkt F größer ist als das Zusammensetzungsverhältnis X₀ des dicht in den Kältekreis eingeschlossenen Kältemittels und daß das Zusammensetzungsverhältnis in dem Kältekreislauf durch Entnahme von Gas geändert werden kann.
Gemäß 1 und 2 wird ein gasförmiges Kältemittel mit einem großen Zusammensetzungsanteil an HFC32 aus dem oberen Abschnitt des Sammlers 6 entnommen und in der Kühleinheit 11 verflüssigt und in dem Behälter 10 gespeichert. Als Folge wird das Zusammensetzungsverhältnis des Kältemittels in dem Kältekreislauf kleiner als X₀. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis des Kältemittels in dem Kältekreislauf kleiner als X₀ wird, ist es möglich, das Kältemittel mit einem großen Zusammensetzungsanteil an HFC32 in den Kältemittelkreislauf durch Öffnen des Ventils 14 für das Öffnen und Schließen zurückzuführen.
Wie vorstehend erwähnt, kann das Kältemittel-Zusammensetzungsverhältnis in dem Hauptkältekreis geändert werden, indem gasförmiges Kältemittel aus dem Sammler entnommen oder in ihn zurückgeführt wird.
Obwohl die vorstehend beschriebene Ausführungsform den Fall beschreibt, in welchem ein Kältemittelgemisch aus zwei Kältemittelarten, d.h. HFC32 und HFC134a, als Käl-temittel verwendet werden, läßt sich die vorliegende Erfindung auch bei einem Kältemittelgemisch von mehr als zwei Arten anwenden. Beispielsweise läßt sich die vorliegende Erfindung auf ein Kältemittelgemisch von drei Arten, nämlich HFC32, HFC125 und HFC134a, anwenden, was in 7 gezeigt ist. Die in 7 angegebenen Zahlenwerte sind Gewichtsprozentsätze (%) von HFC32, HFC125 und HFC134a, wobei ein Kältemittelgemisch von unterschiedlichen Gewichtsprozentsätzen betrachtet werden kann. Von HFC32, HFC125 und HFCl34a sind die Siedepunkte von HFC32 und HFC125 höher als der von HFC134a, so daß die vorliegende Erfindung Anwendung finden kann, welche den Unterschied zwischen den Siedepunkten von gemischten Kältemitteln verwendet. HFC32 und HFC125 haben azeotrope Eigenschaften, so daß sie als ein einziges Kältemittel betrachtet werden können. Das oben beschriebene Kältemittelgemisch kann dann als Kältemittelgemisch aus dem azeotropen Kältemittel aus HFC32 und HFC125 und aus HFC134a angenommen werden. Die Zusammensetzungsänderungsfunktion der vorliegenden Erfindung kann dann für ein Kältemittelgemisch aus HFC32, HFC125 und HFC134a dargestellt werden. In 1 und 2 ist das Gas in dem oberen Abschnitt des Sammlers 6 ein Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt, welches ein großes Kältemittel-Zusammensetzungsverhältnis hat, dessen Anteile an HFC32 und HFC125 von den drei Kältemittelarten groß sind. Das Gas mit den großen Anteilen an HFC32 und HFC125 wird aus dem oberen Abschnitt des Sammlers 6 entnommen und durch die Kühleinheit 1 verflüssigt und in dem Behälter 10 gespeichert. Hinsichtlich des Zusammensetzungsverhältnisses des Kältemittels in dem Kältekreislauf sind als Ergebnis die Zusammensetzungsanteile der Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt, d.h. von HFC32 und HFC125, klein, während der Zusammensetzungsanteil des Kältemittels mit hohem Siedepunkt, d.h. von HFC134a, groß ist. Im Hinblick auf das Zusammensetzungsverhältnis in dem Kältekreislauf ist es möglich, den Zusammensetzungsanteil von HFC32 und HFC125 in den ursprünglichen Zustand durch Öffnen des Ventils 14 für das Öffnen und Schließen zurückzuführen. Wie oben erwähnt, ist es möglich, die Zusammensetzung des Kältemittels im Falle eines Kältemittelgemisches aus drei Arten zu ändern.
Als nächstes wird eine Ausführungsform des kapazitiven Sensors 8 zum Feststellen der Zusammensetzung des Kältemittelgemisches erläutert. 8 ist eine Schnittansicht des in 1 gezeigten kapazitiven Sensors 8 zur Feststellung der Zusammensetzung. In 8 bezeichnet 53 eine Außenrohrelektrode und 54 eine Innenrohrelektrode, die beide Hohlrohre sind. Die Innenrohrelektrode 54 ist an ihren beiden Enden durch Anschläge 55a und 55b festgelegt, wodurch eine kreisförmige Aussparung im zentralen Abschnitt der Außenrohrelektrode 53 vorgesehen wird. Der Außendurchmesser der Anschläge 55a und 55b entspricht nahezu dem Innendurchmesser der Außenrohrelektrode 53, und die Seite, die der Innenrohr-Elektrodenhalteseite gegenüberliegt, ist durch das Kältemittel-Zuführrohr 59 festgelegt, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Außenrohrelektrode 53 nahezu entspricht. Außerdem ist das Kältemittelzuführrohr 59 an der Außenrohrelektrode 53 festgelegt.
Als Folge davon ist die Innenrohrelektrode 54 an dem zentralen Abschnitt der Außenrohrelektrode 53 festgelegt. Mit der Außenrohrelektrode 53 und der Innenrohrelektrode 54 ist eine Außenrohr-Elektrodensignalleitung 56 bzw. eine Innenrohr-Elektrodensignalleitung 57 verbunden, um einen elektrostatischen Kapazitätswert zu messen. Außerhalb der Innenrohr-Elektrodensignalleitung 57 ist ein Signalleitungsschutzrohr 58 (beispielsweise ein abdichtender Anschluß) zum Führen der Innenrohr-Elektrodensignalleitung 57 zur Außenseite der Außenrohrelektrode 53 und zum Verhindern, daß Kältemittel von innen nach außen entweicht, angeordnet. In den Anschlägen 55a und 55b ist wenigstens ein Durchgangskanal mit einer Größe, die kleiner ist als der Innendurchmesser der Innenrohrelektrode 54, in ihrem zentralen Abschnitt angeordnet. An einer Stelle zwischen der Innenrohrelektrode 54 und der Außenrohrelektrode 53 ist wenigstens ein Kanal für das Kältemittel angeordnet, so daß der Strom des durch das Innere fließenden Kältemittelgemisches gestört wird.
Es wird nun ein Verfahren zum Feststellen der Zusammensetzung des Kältemittelgemisches unter Verwendung des kapazitiven Sensors 8 zum Messen des Zusammensetzungsverhältnisses erläutert. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Zusammensetzungsverhältnis des Kältemittels und dem elektrostatischen Kapazitätswert, wenn der kapazitive Sensor verwendet wird. 9 veranschaulicht gemessene Werte, die man, wenn HFC134a als Kältemittel mit hohem Siedepunkt und HFC32 als Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt verwendet wird, aus dem Kältemittelgemisch erhält, wenn sie in den in 8 gezeigten Sensor zum Feststellen des Zusammensetzungsverhältnisses als Gas bzw. Flüssigkeit dicht eingeschlossen werden. Die horizontale Achse zeigt den Zusammensetzungsanteil von HFC32, die vertikale Achse den elektrostatischen Kapazitätswert als Ausgang aus dem Meßsensor 8 für das Zusammensetzungsverhältnis.
In 9 zeigt ein Vergleich des elektrostatischen Kapazitätswerts für das Gas eines jeden Kältemittels mit dem der Flüssigkeit eines jeden Kältemittels, daß das flüssige Kältemittel einen größeren Wert hat und daß die Differenz zwischen dem elektrostatischen Kapazitätswert für das Gas und dem für die Flüssigkeit groß ist, insbesondere bei HFC134a. Dies zeigt, daß sich der elektrostatische Kapazitätswert mit der Änderung der Trockenheit des Kältemittels ändert. Im Gegensatz dazu zeigt ein Vergleich zwischen den elektrostatischen Kapazitätswerten von HFC134a und HFC32, daß HFC32 einen größeren elektrostatischen Kapazitätswert sowohl für die Flüssigkeit als auch für das Gas hat. Dies zeigt an, daß nur ein gasförmiges oder ein flüssiges Kältemittel in dem Meßsensor 8 für das Zusammensetzungsverhältnis vorhanden ist und daß, wenn sich die Zusammensetzung des Kältemittels ändert, sich der elektrostatische Kapazitätswert ändert.
Da jedoch im Inneren des Meßsensors 8 für das Zusammensetzungsverhältnis ein Zweiphasenzustand von Gas und Flüssigkeit eintritt, ändert sich der elektrostatische Kapazitätswert aufgrund der Trockenheit des Kältemittels zusätzlich zu dem Zusammensetzungsverhältnis des Kältemittelgemisches, so daß es unmöglich wird, das Zusammensetzungsverhältnis zu messen. Wenn deshalb das Zusammensetzungsverhältnis des Kältemittelgemisches unter Verwendung des Meßsensors 8 für das Zusammensetzungsverhältnis gemessen wird, ist es erforderlich, den Meßsensor 8 für das Zusammensetzungsverhältnis in einem Abschnitt anzuordnen, in welchem das Kältemittel in dem Kältekreislauf immer ein Gas oder eine Flüssigkeit ist. Da im vorliegenden Fall die Rückschlagventile 91 bis 94 angeordnet sind, befindet sich das Kältemittel, das durch den Meßsensor 8 für das Zusammensetzungsverhältnis hindurchgeht, in einem flüssigen Zustand. Als Meßeinrichtungen für das Zusammensetzungsverhältnis können auch andere Einrichtungen als die kapazitiv arbeitenden verwendet werden.
Das Ablaufdiagramm von 10 zeigt ein Verfahren zum Steuern des in 1 gezeigten Kältekreislaufs. Wenn ein vorgegebener Zustand nach dem Anlauf des Kältemittelkreisprozesses erreicht ist, wird das Zusammensetzungsverhältnis auf der Basis eines Signals aus dem Meßsensor 8 für das Zusammensetzungsverhältnis bestimmt. Es erfolgt eine Überprüfung zur Feststellung, ob der gemessene Zusammensetzungsanteil X größer als der Zusammensetzungsanteil X₀ des in dem Kältekreislauf nicht eingeschlossenen Kältemittels ist. Wenn X > (X₀ + α), werden die Ventile 12 und 13 für das Öffnen und Schließen geöffnet. Wenn der Zustand (X₀ – α) ≤ X ≤ (X₀ + α) erreicht ist, werden die Ventile 12 und 13 für das Öffnen und Schließen geschlossen. Wenn das gemessene Zusammensetzungsverhältnis X < (X₀ – α) ist, wird das Ventil 14 für das Öffnen und Schließen geöffnet, und wenn (X₀ – α) ≤ X ≤ (X₀ + α) erreicht wird, wird das Ventil 14 für das Öffnen und Schließen geschlossen. a ist die Toleranz.
Es ist deshalb möglich, die Zusammensetzung des Kältemittels in dem Kältemittelkreis auf X₀ oder nahe daran einzustellen, so daß unterbunden werden kann, daß der Druck auf der Hochdruckseite abnorm ansteigt und ein stabiler Betrieb möglich ist. Da das Zusammensetzungsverhältnis des nicht-azeotropen Kältemittels geändert werden kann, ist es möglich, die Heiz- und Kühlleistung zu ändern, wie es in 3 gezeigt ist.
Eine zweite Ausführungsform des Kältekreislaufs der vorliegenden Erfindung ist in 11 gezeigt. 11 zeigt auch einen Kältekreislauf, bei welchem das Zusammensetzungsverhältnis des nicht-azeotropen Kältemittels variiert werden kann, wobei die Funktionen der in 1 gezeigten Ausführung integriert sind. Die Komponenten in 11 haben die gleichen Bezugszeichen wie die identischen Komponenten in 1. Die Bezugszeichen 33 und 34 bezeichnen Rohre. Das Bezugszeichen 40 bezeichnet einen Kältemittelbehälter. Die Bezugszeichen 41 und 43 bezeichnen Ventile zum Öffnen und Schließen, während die Bezugszeichen 42 und 44 Rohre bezeichnen. Der Kältemittelbehälter 40 ist in einem Stück mit dem Speicher 5 ausgebildet, wie es in 11 gezeigt ist, so dass Wärme zwischen dem Kältemittelbehälter 40 und dem Speicher 5 ausgetauscht werden kann. Die Strömungsrichtung des Kältemittels während des Heiz- und Kühlbetriebs ist die gleiche wie in 1. Bei
11 ist es möglich, das flüssige Kältemittel im unteren Teil des Speichers 5 zum Behälter 40 über das Ventil 43 zum Öffnen und Schließen abfließen zu lassen und darin zu speichern.
Das gasförmige Kältemittel innerhalb des Sammlers 6 kann kondensiert und verflüssigt werden, indem das gasförmige Kältemittel in den Behälter 40 über das Venti141 zum Öffnen und Schließen strömen gelassen und die Wärme mit dem Speicher 5 ausgetauscht wird. Es ist auch möglich, das flüssige Kältemittel im unteren Teil des Behälters 40 in den Speicher 5 über das Ventil 43 zum Öffnen und Schließen so abströmen zu lassen, dass das flüssige Kältemittel in den Hauptkältekreislauf zurückgeführt wird. Durch Öffnen des Ventils 41 zum Öffnen und Schließen ist es deshalb möglich, Gas mit einem großen Zusammensetzungsverhältnis von HFC32 aus dem Hauptkältekreislauf freizugeben und das Zusammensetzungsverhältnis von HFC32 zu verringern. Andererseits kann durch Öffnen des Ventils 43 zum Öffnen und Schließen flüssiges Kältemittel mit einem großen Zusammensetzungsverhältnis an HFC 134a aus dem Hauptkältekreislauf freigesetzt und das Zusammensetzungsverhältnis von HFC134a verringert werden.
12 zeigt im einzelnen den Sammler 6, den Speicher 5 und den Behälter 40 wie sie auch alle in 11 gezeigt sind. Die Bauelemente in 12 haben die gleichen Bezugszeichen wie die identischen Bauteile in 11. Ein Rohr 34, durch den der Speicher 5 mit dem Kompressor 1 verbunden ist, ist innerhalb des Speichers 5 U-förmig ausgebildet und sein Endteil ist in dem oberen Abschnitt des Speichers 5 offen. In dem untersten Teil der U-Form ist ein Loch 36 zum Rückführen von Öl angeordnet, das in dem Kältemittelkreislauf zirkuliert, während in dem obersten Teil der U-Form ein Loch 35 angeordnet ist, damit ein Teil des Gases abströmen kann. Ein Rohr 42 und das Venti141 zum Öffnen und Schließen sind miteinander an einer geeigneten Stelle in dem oberen Abschnitt des Sammlers 6 und an einer geeigneten Stelle in dem oberen Abschnitt des Kältemittelbehälters 40 verbunden. Ferner sind ein Rohr 44 und das Ventil 43 zum Öffnen und Schließen miteinander an geeigneten Stellen in dem unteren Teil des Speichers 5 und des Kältemittelbehälters 40 verbunden. Obwohl der Kältemittelbehälter 40 in einem Stück im unteren Teil des Speichers 5 in 12 ausgebildet ist, kann der Kältemittelbehälter 40 auf jede Art und Weise angeordnet werden, wenn Wärme zwischen dem Speicher 5 und dem Kältemittelbehälter 40 ausgetauscht werden kann.
13 ist ein Ablaufdiagramm zum Steuern des Kältekreislaufs von 11. Wenn ein vorgegebener Zustand nach dem Anlauf des Kältemittelkreisprozesses erreicht ist, wird das Zusammensetzungsverhältnis auf der Basis eines Signals aus dem Meßsensor für das Zusammensetzungsverhältnis bestimmt. Es erfolgt eine Überprüfung der Feststellung, ob der gemessene Zusammensetzungsanteil X größer ist als der Zusammensetzungsanteil X₀ des in den Kältekreislauf eingeschlossenen Kältemittels. Wenn X > (X₀ + α), werden die Ventile 41 zum Öffnen und Schließen geöffnet. Wenn der Zustand (X₀ – α) ≤ X ≤ (X₀ + α) erreicht ist, wird das Venti141 zum Öffnen und Schließen geschlossen. Wenn das gemessene Zusammensetzungsverhältnis X < (X₀ + α) und X < (X₀ – α) ist, wird das Ventil 43 zum Öffnen und Schließen geöffnet. Wenn (X₀ – α) ≤ X ≤ (X₀ + α) erreicht ist, wird das Ventil 43 zum Öffnen und Schließen geschlossen. Dadurch ist es möglich, die Zusammensetzung des Kältemittels in dem Kältekreislauf auf X₀ oder um diesen Wert herum einzustellen und einen stabilen Betrieb zu ermöglichen. Da das Zusammensetzungsverhältnis des nicht- azeotropen Kältemittels variiert werden kann, wird es möglich, die Heiz- und Kühlkapazität zu variieren, wie es in 3 gezeigt ist.

Claims

Ein nicht-azeotropes Kältemittel verwendender Kältekreislauf – mit einem Kompressor (1), – mit einem wärmequellenseitigen Wärmeaustauscher (2), – mit einem verwendungsseitigen Wärmeaustauscher (20a, 20b), – mit einer Reduziervorrichtung (7) für den Kältemitteldruck, – mit einem Sammler (6) für das Kältemittel, der zwischen einer Seite des wärmequellenseitigen Wärmeaustauschers (2) und dem verwendungsseitigen Wärmeaustauscher (20a, 20b) angeordnet ist, wobei die Seite der anderen, mit dem Kompressor (1) verbundenen Seite des wärmequellenseitigen Wärmeaustauschers (2) gegenüberliegt, – mit einer Detektoreinrichtung (8) für das Zusammensetzungsverhältnis, die für das Erfassen eines Zusammensetzungsverhältnisses des Kältemittels angeordnet ist, und – mit Steuereinrichtungen (10 bis 15, 40 bis 44) für das Zusammensetzungsverhältnis, dadurch gekennzeichnet, – dass die Detektoreinrichtung (8) für das Zusammensetzungsverhältnis zwischen dem wärmequellenseitigen Wärmeaustauscher (2) und dem Sammler (6) angeordnet ist, und – dass die Steuereinrichtungen (10 bis 15, 40 bis 44) für das Zusammensetzungsverhältnis für die Abnahme von gasförmigem Kältemittel aus dem Sammler (6) auf der Basis des Kältemittelszusammensetzungsverhältnisses angeordnet sind, das von der Detektoreinrichtung (8) für das Zusammensetzungsverhältnis erfasst wird, um so das Kältemittelzusammensetzungsverhältnis zu variieren, das hauptsächlich in dem Kältekreislauf verwendet wird.
Kältekreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kältekreislauf einen Speicher (5) aufweist, der für die Versorgung des Kompressors (1) mit Kältemittel angeordnet ist, und – dass die Steuereinrichtungen für das Zusammensetzungsverhältnis einen Kältemittelbehälter (10), der mit dem Sammler (6) über ein erstes Rohr mit einem ersten Ventil (13) zum Öffnen und Schließen und mit dem Speicher (5) über ein zweites Rohr (15) mit einem zweiten Ventil (14) zum Öffnen und Schließen verbunden ist, und ein drittes Ventil (12) zum Öffnen und Schließen aufweisendes drittes Rohr hat, das mit dem Sammler (6) an seinem einen Ende verbunden und an das zweite Rohr (15) zwischen dem zweiten Ventil (15) zum Öffnen und Schließen und dem Speicher (5) angeschlossen ist, wobei – ein Teil des dritten Rohres so in ein Teil des ersten Rohres eingebettet ist, dass die Teile eine Kühleinheit (11) bilden, – das erste Ventil (13) zum Öffnen und Schließen und das dritte Ventil (12) zum Öffnen und Schließen zwischen der Kühleinheit (11) und dem Sammler (6) angeordnet sind, – der Sammler (6), der Kältemittelbehälter (10), die Kühleinheit (11), das erste Rohr, das dritte Rohr, das erste Ventil (13) zum Öffnen und Schließen und das dritte Ventil (12) zum Öffnen und Schließen so angeordnet sind, dass, wenn das erste und das dritte Ventil (13, 12) zum Öffnen und Schließen offen sind – flüssiges Kältemittel am Boden des Sammlers (6) durch das dritte Ventil (12) zum Öffnen und Schließen abströmt, wodurch es in ein Kältemittel mit niedriger Temperatur durch die druckreduzierende Wirkung des dritten Ventils (12) zum Öffnen und Schließen umgewandelt wird, – gasförmiges Kältemittel in dem Sammler (6) durch das erste Ventil (13) zum Öffnen und Schließen abströmt, in der Kühleinheit (11) kondensiert und dann als Flüssigkeit in den Kältemittelbehälter (10) geführt wird, und – der Kältemittelbehälter (10) das zweite Rohr (15), das dritte Rohr, das zweite Ventil (14) zum Öffnen und Schließen, das dritte Ventil (12) zum Öffnen und Schließen und der Speicher (5) so angeordnet sind, dass die in dem Kältemittelbehälter (10) gespeicherte Flüssigkeit zum Speicher (5) Über das zweite Rohr (15) abgeführt wird, wenn das dritte Ventil (12) zum Öffnen und Schließen geschlossen und das zweite Ventil (14) zum Öffnen und Schließen geöffnet ist.
Kältekreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kältekreislauf einen Speicher (5) aufweist, der zum Versorgen des Kompressors (1) mit Kältemittel angeordnet ist, und – dass die Steuereinrichtungen für das Zusammensetzungsverhältnis einen Kältemittelbehälter (40), der mit dem Sammler (6) über ein erstes Rohr (42), das ein erstes Ventil (41) zum Öffnen und Schließen aufweist, und mit dem Speicher (5) über ein zweites Rohr (44) verbunden ist, das ein zweites Ventil (43) zum Öffnen und Schließen aufweist, wobei – der Speicher (5) und der Kältemittelbehälter (40) so angeordnet sind, dass zwischen dem Kältemittelbehälter (40) und dem Speicher (5) Wärme ausgetauscht werden kann, – der Sammler (6), der Kältemittelbehälter (40), das erste Rohr (42) und das erste Ventil (41) zum Öffnen und Schließen so angeordnet sind, dass wenn das erste Ventil (41) zum Öffnen und Schließen offen ist, gasförmiges Kältemittel innerhalb des Sammlers (6) durch das erste Rohr (42) in den Kältemittelbehälter (40) abfließt, wo es zu Flüssigkeit aufgrund des Wärmeaustausches mit dem Speicher (5) kondensiert wird, und – der Kältemittelbehälter (40), das zweite Rohr (44), das zweite Ventil (43) zum Öffnen und Schließen und der Speicher (5) so angeordnet sind, dass die in dem Kältemittelbehälter (40) gespeicherte Flüssigkeit zum Speicher (5) durch das zweite Rohr (44) abgeführt werden kann, wenn das zweite Ventil (43) zum Öffnen und Schließen offen ist.
Kältekreislauf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelbehälter (40) in einem unteren Teil des Speichers (5) in einem Stück damit ausgebildet ist.
Kältekreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung (8) für das Zusammensetzungsverhältnis ein Sensor ist, der mit der elektrostatischen Kapazität arbeitet.